Генетика. Эпигенетические изменения

Кузин Сергей Михайлович
Кандидат биологических наук, с.н.с.
Доцент кафедры биологии и общей генетики
Эпигенетика

У млекопитающих и человека 22 – 23 тыс. генов, кодирующих белки. Как правило, набор генов и хромосом одинаков во всех клетках и сохраняется в течение всей жизни. Вопросы:
Как одинаковый генотип организма дает 360 разных видов клеток?
Как гены реализуются в признаки? Почему один и тот же ген в разных условиях может давать разное проявление признака?
Почему один генотип дает разный фенотип в процессе индивидуального развития?

Эпигенетика - изучает механизмы изменения активности генов и их проявления в признаки в процессе онтогенеза
Эпигенетические изменения – изменения структуры хроматина и активности генов, при которых не изменяется последовательность нуклеотидов ДНК
Значение эпигенетических изменений
1. Определяют дифференцировку клеток, образование органов и тканей – морфогенез;
- определяют все этапы онтогенеза – рост, развитие, в т.ч. психическое, половое созревание и размножение, старение
2. Могут определять нарушения развития - образование ненаследственных пороков развития (например, при действии тератогенных факторов)
- развитие разных заболеваний (например, онкологических)
- преждевременное старение и др.

1942. К.Х. Уоддингтон и его рисунок «эпигенетического ландшафта». Шарик вверху обозначает первоначальные неспециализированные клетки зародыша. Под воздействием различных сигналов клетке будет задана траектория развития, и она станет специализированной — клеткой сердца, печени и т.д. (www.computerra.ru).
Робин Холлидэй (Robin Holliday) эпигенетика - «изучение механизмов временного и пространственного контроля активности генов в процессе развития организмов»

Эпигенетические механизмы
Регулируют активность генов, все этапы синтеза белка и проявления гена в признак
Ген
транскрипция
пре-м-РНК
механизмы процессинг
контроля м-РНК
(эпигенетические?) трансляция
полипептид
посттрансляция
белок
признак

Эпигенетика в широком толковании изучает любые изменения активности генов и их проявления в признаки. Однако в настоящее время под эпигенетическими понимают не любые изменения, влияющие на активность и проявление генов, а только устойчивые, сохраняющиеся длительное время. Например - дифференцировка нейронов головного мозга, клеток кишечника и других органов определяется именно эпигенетически. Такие изменения могут сохраняться в течение многих клеточных поколений, передаваясь дочерним клеткам при митозе. В некоторых случаях они могут сохраняться и при мейозе, передаваться через половые клетки потомству и наследоваться в нескольких поколения организмов.

Пример наследования эпигенетических изменений
Трансгенные мыши агути (yellow agouti (Avy) mouse), имеют желтую шерсть и предрасположенность к ожирению (рис слева). При добавлении в корм фолиевой кислоты, витамина В12, холина и метионина развивается нормальное потомство без отклонений (рис справа). Приобретенные в результате диеты изменения сохраняются в нескольких последующих поколениях: детеныши мышей агути рожали нормальных мышей даже при обычном питании.

Основные эпигенетические механизмы
- изменения хроматина (ДНК и гистонов), влияющие на активность генов
Модификация (метилирование) ДНК
Модификация (ацетилирование, метилирование) гистонов
РНК-интерференция и другие нкРНК механизмы

Эпигенетические изменения ДНК
Метилирование цитозина
Метилирование цитозина в местах с повтором Ц – Г; Г –Ц может приводить к выключению гена
Метилирование ДНК воспроизводится в будущих поколениях клеток. Белок NP95 (Uhf1) распознает метилированную ДНК, метилтрансфераза 1 копирует метку на дочерних цепях ДНК при репликации.

Эпигенетические механизмы
Модификация хвостов гистонов
Метилирование – инактивирует гены
Ацетилирование – активирует гены

Изменения активности генов в зависимости от модификаций гистона Н3
Красным отмечен инактивация, зеленым - активация

Метилирование ДНК и модификация гистонов (метилирование, ацетилирование, фосфорилирование) определяют состояние хроматина (открытый или закрытый) и активность генов
http://www.dxline.info/img/new_ail/dna-methylation_2.jpg

Эпигенетические нкРНК механизмы (обусловленные некодирующей РНК)
РНК интерференция

Эпигеном – эпигенетически измененный геном Эпитранскриптом – эпигенетически измененный транскриптом (результат модификации РНК)

Эпигенетические механизмы определяют дифференцировку клеток –
специализацию и приобретение специфических свойств. Превращение в определенный тип клеток
Дифференцированные клетки органов и тканей образуются из менее дифференцированных стволовых клеток

Дифференцировка в эмбриогенезе
Зигота и ранние бластомеры максимально недифференцированы, они могут развиваться в любом направлении – тотипотентны. Они имеют открытый минимально метилированный хроматин.
По мере дробления начинается дифференцировка – метилирование ДНК “закрывает” часть генов. Клетки внутренней массы бластоцисты специализированы для образования эмбриона, наружные клетки трофобласта – для образования хориона

Дифференцировка при гисто- и органогенезе - морфогенез
Канализация (детерминация) развития определяется активацией определенной генетической программы под действием специфических регуляторных факторов – морфогенов.
По мере развития “открытый” геном тотипотентных клеток “закрывается” – метилируются и необратимо блокируются невостребованные генетические программы других направлений.
Метилирование ДНК воспроизводится в будущих поколениях клеток. Белок NP95 (Uhf1) распознает метилированную ДНК, метилтрансфераза1 копирует метку на дочерних цепях ДНК при репликации.
Морфогенез сопровождается различными клеточными процессами:
- пролиферацией - дифференцировкой
- миграцией - сортировкой
- апоптозом
Все эти процессы определяются активацией или блокированием определенных генов – эпигенетическими механизмами

Условия среды влияют на эпигенетические изменения в процессе развития
Развитие рабочей пчелы и матки в зависимости от вскармливания

Эпигенетические механизмы
Определяют адаптацию к среде обитания

Эпигенетические изменения генома определяют старение
Определение метилирования
ДНК являются одним из
наиболее точных тестов
оценки биологического
возраста

Эпигенетические изменения могут приводить к развитию рака
Мутации протоонкогенов и супроссоров, ведущие к раку, могут заменяться на эпигенетические изменения (активируются онкогены, выключаются антионкогены)

Эпигенетика и эволюция
Эпигенетические изменения могут наследоваться. Метилирование ДНК резко увеличивает скорость мутирования (перехода метилцитозина в тимин), что, возможно, является одним из механизмов эволюционных изменений

Эпигенетические изменения зависят от условий среды – питания, образа жизни, социального статуса и т.д.

Влияние среды на эпигенетические изменения

Перепрограммирование генома и ремоделирование хроматина
В ряде случаев эпигенетические изменения могут быть изменены – перепрограммированы
Перепрограммирование (ремоделирование) может изменить направление дифференцировки клеток
Перепрограммирование после оплодотворения позволяет снять метильные группы, открыть хроматин и получить из высокоспециализированных гамет тотипотентную зиготу
Перепрограммирование можно проводить искусственно - получать стволовые клетки из обычных соматических, и выращивать из них любые органы и ткани

Дедифференцировка. Клонирование
Искусственное получение стволовых клеток
тотипотентных плюрипотентных
репродуктивное терапевтическое
клонирование клонирование Получение клонов выращивание органов и тканей организмов для регенерации

Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (и-ПСК)
Получают из соматических действием коктейля Яманаки – комплексом из 4-х транскрипционных факторов, вызывающих перепрограммирование и дедифференцировку
mcblab.co.kr/files/attach/images/79/089/iPS.png